مجله علوم، مهندسی و فناوری هسته‌ای

مدل‌سازی فشار محفظه و طراحی کنترل‌کننده برای کنترل پروفایل فشار در توکامک دماوند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

حسین رسولی 1
مهدی علیاری شوره‌دلی 2
مهدی امینی 2

1 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 51113-14399، تهران- ایران

2 گروه کنترل، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، صندوق پستی: 1355-16315، تهران- ایران

https://doi.org/10.24200/nst.2022.1139.1750
چکیده
یکی از سامانه‌های لازم جهت ارتقاء توکامک دماوند، کنترل اتوماتیک پروفایل فشار محفظه است. در این مقاله شناسایی و مدل‌سازی فشار محفظه خلأ توکامک دماوند و هم‌چنین طراحی کنترل­کننده مبتنی بر مدل انجام می‌گیرد. در این راستا ابتدا اقدام به طراحی و اجرای ساختار آزمایشی جهت اعمال سیگنال شناسایی و داده‌برداری از سیستم فشار محفظه خلأ توکامک دماوند صورت می‌پذیرد. بدین صورت که پس از ایجاد خلأ پایه، با تغییر و اعمال ولتاژ ورودی به عملگر پیزوالکتریک به‌طور هم‌زمان فشار محفظه خلأ و ولتاژ اعمالی اندازه­گیری می‌شود. پس از انجام فرایند داده­گیری، در فرایند شناسایی، چندین مدل خطی حاصل گردید. هدف اصلی از شناسایی در این مقاله، طراحی کنترل­کننده مناسب بود. که پس از تهیه مدل، کنترل‌کننده‌های PID مبتنی بر روش ZN و کنترل­کننده پیش‌بین مبتنی بر مدل طراحی و شبیه‌سازی گردید که نتایج مطلوبی داشتند. در این پژوهش، برای داشتن خروجی بدون فراجهش و زمان‌خیز قابل تنظیم از طرف کاربر، پروفایل فشار مطلوب تهیه و فشار محفظه بر اساس کنترل‌کننده پیش‌بین مورد ارزیابی قرار گرفت. برای حفظ ایمنی پیزو الکتریک، کنترل‌کننده‌های خانواده PID و پیش‌بین با در نظر گرفتن محدودیت‌های عملی در سیگنال کنترلی ( ) شبیه‌سازی شد در آخر نیز نتایج عملکرد آن‌ها بر اساس حذف تأخیر ذاتی سیستم، دنبال‌ر‌وندگی مدل مرجع، دامنه سیگنال کنترلی و حذف اغتشاش مقایسه و بررسی گردید که نتایج مطلوبی در ردیابی پروفایل فشار مطلوب، حذف تأخیر ذاتی سیستم و قابلیت پیاده‌سازی به‌دلیل محدود بودن دامنه سیگنال کنترلی دارند.

کلیدواژه‌ها

توکامک
پلاسما
محفظه خلأ
پمپ روتاری
پمپ توربومولکولار
عملگر پیزو
شناسایی سیستم
کنترل‌کننده پیش‌بین

عنوان مقاله English

Modeling of vacuum vessel pressure and model-based controller design for pressure profile control in Damavand Tokamak

نویسندگان English

H. Rasouli 1
M. Aliyari Shuredeli 2
M. Amini 2
1 Plasma and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O. Box: 14399-51113, Tehran - Iran
2 Control Department, Faculty of Electrical Engineering, Khwaja Nasiruddin Tusi University, P.O. Box: 16315-1355, Tehran - Iran
چکیده English

One of the essential systems for the upgrade of Damavand Tokamak is the automatic control of the vacuum vessel pressure profile. This research performs the identification, modeling, and control of the vacuum chamber pressure in Damavand Tokamak. As a first step, the experimental structure is designed and implemented for the application of an identification signal and for the collection of data from the vacuum vessel pressure. Following the creation of the base vacuum, the input voltage to the piezoelectric is changed and applied. At the same time, both the vacuum vessel pressure and applied voltage are measured. Using experimental data, several linear models are identified for control. Then, considering the practical limitations of the control signal (25<Vp<65), Ziegler-Nichols-based PID and predictive controllers are designed and simulated. Also, their performance results were compared and evaluated based on compensating for the system’s inherent delay, disturbance rejection, and reference model following. The simulation results show the performance of controllers.

کلیدواژه‌ها English

Tokamak
Plasma
Vacuum vessel
Rotary pump
Turbo molecular pump
Piezoelectric
Model identification
Predictive controller
  1. M. Ariola, A. Pironti, Magntic control of tokamak plasmas, Springer (2008).

 

  1. M.S. Khan, S.B. Bhatt, Automatic pressure controller using microcontroller, Technical Report, (2010).

 

  1. Ch. Ou, L. Mao, Zh. Wang, An Investigation of intelligent control for gas injection pressure in GAIM, IEEE International conference on control and automation, May 30 to June 1, (2007).

 

  1. Sh-Ch Chen, Sh-M Chao, Closed-loop control of gas pressure in the gas-assisted injection molding process, ADV WILEY, January 5, (1999).

 

  1. J. Schacht, et al, Gate valve and shutter control system for the fusion experiment W7-X, IAEA 9th Technical Meeting, May 7, (2013).

 

  1. I. Carvalho, Real-time control for long ohmic alternate current discharges, IAEA 9th Technical Meeting, (2013).

 

  1. L. Wang, et al, Design and construction of vacuum control system on EAST, Fusion Engineering and Design, 83, 295-299 (2008).

 

  1. H. Rasouli, C. Rasouli, A. Koohi, Identification and control of plasma vertical position using neural network in Damavand Tokamak, Review of Scientific Instruments, 84, 023504 (2013).

 

  1. O. Nelles, Nonlinear System Identification, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 465-471 (2001).

 

  1. A.R. Fatehi, Process Control Systems, K.N. Toosi University of Technology Publications, (2013) (In Persian).

 

  1. G.C. Goodwin, K.S. Sin, Adaptive Filtering Prediction and Control, Dover Publications, Inc. MineoIa, New York, 120-121 (2009).

 

  1. Y.C. Kim, L.H. Keel, S.P. Bhattacharyya, Transient response Control via characteristic ratio assignment, IEEE Transactions on Automatic Control, 48, iss. 12, 2238-2244 (2003).

 

  1. S. Manabe, Coefficient Diagram method, 14th IFAC Symp. On Automatic Control in Aerospace, Seol, (1998).

صفحه اصلی